聚吡咯修饰铂电极的制备及其电催化性能研究

论文摘要

导电聚合物具有特殊的结构和优异的物理化学性能,在电极材料、化学修饰电极、酶电极和传感器等方而具有广阔的应用前景。与常规的酸性水溶液和有机溶剂相比,离子液体具有电导率高、稳定性好、电化学窗口宽和环境友好等优点,可以代替传统的支持电解质/溶剂体系,作为电解液制备导电聚合物。本论文首先在1-乙基咪唑三氟乙酸盐（HEImTfa）离子液体中采用电化学聚合法在铂片（Pt）电极表面修饰聚吡咯（PPy）膜,制备PPy-HEImTfa/Pt电极,然后采用循环伏安法研究它对甲醛和甲酸的电催化氧化性能,并与相同条件下在硫酸/水溶液中制备的PPy-H2SO4/Pt电极以及裸Pt电极的电催化性能进行对比,同时采用原位红外光谱技术对其氧化过程进行分析。循环伏安测试表明,与PPy-H2SO4/Pt电极和裸Pt电极相比,PPy-HEImTfa/Pt电极对甲酸和甲醛具有更高的电催化氧化活性。以1-乙基咪唑三氟乙酸盐离子液体代替传统的酸性水溶液电化学合成聚吡咯,能显著提高聚吡咯的电化学活性,从而改善聚吡咯修饰铂电极的电催化性能。原位红外光谱结果表明,甲酸、甲醛在PPy-HEImTfa/Pt电极上的电氧化反应符合“双途径机理”,电极表面修饰的PPy-HEImTfa膜能够抑制毒性中间体CO的生成,提高铂的抗CO毒化能力,促进甲酸、甲醛直接经活性中间体步骤氧化生成CO2。同时,采用循环伏安法和原位红外光谱技术研究PPy-HEImTfa/Pt电极对抗坏血酸的电催化氧化性能及其氧化机理。结果表明,相比于PPy-H2SO4/Pt电极和裸Pt电极,PPy-HEImTfa/Pt电极对抗坏血酸具有更高的电催化氧化活性。抗坏血酸在PPy-HEImTfa/Pt电极上的电极反应是一个不可逆的电化学过程,其电氧化机理可能为：抗坏血酸首先被氧化为脱氢抗坏血酸,然后脱氢抗坏血酸在水溶液中迅速发生水合作用形成水合脱氢抗坏血酸,它进一步水解并发生内酯开环反应生成2,3-二酮古洛糖酸；在较高电位下,部分抗坏血酸最终被氧化成C02。采用循环伏安法在氯铂酸（H2PtCl6）溶液中电沉积纳米铂（nm-Pt）颗粒,以HEImTfa离子液体为电解液电化学合成PPy-HEImTfa膜,制备聚吡咯修饰纳米铂电极（PPy-HEImTfa/nm-Pt）,采用循环伏安法和原位红外光谱技术研究它对甲醛的电催化氧化性能,并与相同条件下制备的纳米铂修饰聚吡咯电极（nm-Pt/PPy-HEImTfa）的电催化性能进行对比。结果表明,与nm-Pt/PPy-HEImTfa电极和nm-Pt电极相比,PPy-HEImTfa/nm-Pt电极对甲醛具有更高的电催化氧化活性、抗CO毒化能力和稳定性。相比于在PPy-HEImTfa基质上分散nm-Pt颗粒,通过在nm-Pt颗粒表面修饰一层PPy-HEImTfa膜更有利于提高nm-Pt的电催化性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 直接醇类燃料电池
• 1.1.1 燃料电池概述
• 1.1.2 直接醇类燃料电池简介
• 1.1.3 甲醇的阳极氧化
• 1.1.4 直接醇类燃料电池研究方向
• 1.2 有机小分子的电催化氧化
• 1.2.1 电催化与电催化剂
• 1.2.2 有机小分子的电催化氧化机理
• 1.2.3 有机小分子氧化电催化剂的制备
• 1.3 导电聚吡咯
• 1.3.1 聚吡咯的制备方法
• 1.3.2 聚吡咯的应用
• 1.4 电化学原位红外光谱法
• 1.4.1 光谱电化学概述
• 1.4.2 原位红外光谱法
• 1.5 本论文的研究内容及意义
• 参考文献
• 第二章 实验材料与测试方法
• 2.1 试剂与材料
• 2.2 实验仪器
• 2.3 离子液体的制备
• 2.4 电极的制备
• 2.5 循环伏安测试
• 2.6 原位红外光谱测试
• 参考文献
• 第三章 聚吡咯/铂片电极的制备及其电催化性能
• 3.1 聚吡咯/铂片电极的制备与表征
• 2SO₄/Pt电极的制备'>3.1.1 PPy-H₂SO₄/Pt电极的制备
• 3.1.2 PPy-HEImTfa/Pt电极的制备
• 3.1.3 电极表征
• 3.2 聚吡咯/铂片电极的电催化性能
• 3.2.1 聚吡咯/铂片电极对甲酸的电催化氧化
• 3.2.2 聚吡咯/铂片电极对甲醛的电催化氧化
• 3.3 小结
• 参考文献
• 第四章 抗坏血酸在PPy-HEImTfa/Pt电极上的电催化氧化及其机理
• 4.1 抗坏血酸在PPy-HEImTfa/Pt电极上的电催化氧化
• 4.2 抗坏血酸在PPy-HEImTfa/Pt电极上的氧化机理
• 4.3 小结
• 参考文献
• 第五章 聚吡咯/纳米铂电极的制备及其电催化性能
• 5.1 聚吡咯/纳米铂电极的制备与表征
• 5.1.1 PPy-HEImTfa/nm-Pt电极的制备
• 5.1.2 nm-Pt/PPy-HEImTfa电极的制备
• 5.1.3 电极表征
• 5.2 聚吡咯/纳米铂电极的电催化性能
• 5.2.1 聚吡咯/纳米铂电极对甲醛的电催化氧化
• 5.3 小结
• 参考文献
• 第六章 总结与展望
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢